本书基于作者研究成果,在综述CFRP加固钢结构技术的特点及研究进展基础上,论述了CFRP-钢界面时变黏结性能试验研究,CFRP-钢界面时变本构模型研究、CFRP-钢位伸试件时变力学行为研究,以及CFRP-加固受弯钢梁时变力学行为研究。

本书适合作为高等院校桥梁工程、结构工程专业研究生的教材和教学参考书,也可作为从事钢结构加固设计、施工的工程技术人员的参考书。

焊接钢结构因其优良的性能被广泛应用于大跨度桥梁结构、高层建筑、重型厂房、轻型结构和高耸结构等。近年来,随着钢铁产能的提高和钢结构建设技术的进步,我国已经具备推广钢结构的物质基础和技术条件,因此,钢结构在我国获得了超常规发展。2016年,交通运输部发布《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》,标志着钢结构桥梁建设将逐渐成为我国公路桥梁建设的趋势。在服役期间,因自然环境的侵蚀、外部荷载的作用或人为因素的破坏等,钢结构不可避免地存在损伤和缺陷。比如,长期受交变荷载作用的钢桥产生的疲劳损伤。如果将已损伤钢结构拆除重建,必将耗费大量的人力、物力和财力,显然是不必要的。实际上,只需要将出现病害的结构或构件进行修补和加固,达到结构正常使用功能即可。

外贴CFRP加固钢结构技术克服了传统钢结构加固方法的不足,能在结构尺寸和自重几乎不改变的前提下,有效地提高结构的强度和刚度。CFRP与钢之间的界面起到传递荷载、协调变形、保证CFRP与钢共同工作的作用,其黏结性能的好坏是CFRP加固钢结构成败的关键。加固用胶黏剂作为高分子聚合物,具有与时间相关的黏弹性行为,在外荷载作用下会随时间变化产生变形。胶黏剂的黏弹性会导致CFRP-钢界面发生应力重分布,从而使界面的力学行为变得更加复杂。为此,著者在前人的基础上,对CFRP加固钢结构黏结界面时变力学行为进行了理论研究和试验研究,并应用黏弹性本构关系对CFRP加固钢梁进行了系统分析。

本书的主要内容及安排如下:

第1章综述了CFRP加固钢结构技术的特点及研究进展,对CFRP-钢黏结界面力学行为的基本理论和试验方法进行了系统总结,并提出目前研究面临的主要问题。

第2章论述了采用拉伸试验方法研究CFRP-钢界面胶黏剂的拉伸黏弹性行为。试验中设计与制作了5组27个CFRP-钢双搭接拉伸试件,包括1组对比试件与4组不同持载水平和不同持载时间的试件;根据杠杆原理自制了蠕变试验加载装置,进行了实验室条件下3个月的蠕变试验,持载水平分别取对比组试件极限荷载平均值的20%、40%、60%和75%;对持载加载后的试件进行了静力拉伸破坏试验。本章基于试验结果进行了分析,包括破坏过程、破坏特征、荷载-位移曲线、CFRP应变分布规律以及黏结-滑移曲线特点。

第3章基于蠕变试验结果及理论分析,论述了修正的Burgers模型和Findley幂律方程表征CFRP-钢界面受剪状态下胶黏剂的黏弹性本构关系,以及修正的Burgers模型各参数计算公式的推导;通过对蠕变试验结果的回归分析得到本构模型参数表达式,讨论了界面剪应力和持载时间对模型参数的影响;同时,基于静力拉伸试验结果及理论分析,论述了考虑胶黏剂蠕变损伤折减的CFRP-钢界面双线性黏结-滑移本构模型;在既有的双线性黏结-滑移本构模型的基础上,引入峰值剪应力蠕变损伤系数β、峰值滑移量蠕变损伤系数η和最大滑移量蠕变损伤系数γ 三个蠕变损伤系数,通过对试验数据的回归分析得到了包含持载水平和持载时间的三个蠕变损伤系数的计算公式。

第4章基于修正的Burgers模型,论述了纯拉伸状态下拉伸试件界面剪应力的时变解析解的推导,并利用该模型对CFRP-钢界面剥离全过程进行了分析。

第5章根据考虑变形协调条件的弹性分析方法,论述了包含外荷载和温度荷载的CFRP加固受弯钢梁黏结界面应力的微分方程的推导,分别对均布荷载、单个集中力和两个对称集中力作用情况进行了求解;依据敏感性分析的基本原理,从定量分析的角度分析了界面应力对参数的敏感程度;同时基于修正的Burgers模型,利用黏弹性力学理论及拉普拉斯变换的数学方法,推导了CFRP加固受弯钢梁黏结界面应力、CFRP轴力、钢梁弯矩和加固梁挠度的拉普拉斯像空间解析解;结合有限元方法分析了胶黏剂黏弹性对加固梁力学行为的影响。

本书由宿迁学院副教授徐佰顺著。本书得到了西南交通大学钱永久教授、唐继舜教授,中交第一公路勘察设计研究院马明高级工程师,内蒙古大学赵志蒙教授、李国栋教授、姚亚东副教授,以及著者工作单位宿迁学院建筑工程学院各位领导、同事的热心指导及大力支持,在此表示诚挚的谢意。本书撰写过程中参考了国内外学者的相关研究成果,在此向其作者表示感谢。

限于著者水平,书中疏漏及不妥之处在所难免,敬请广大读者批评指正。

著 者

2023年4月

第1章 绪论 1
1.1 CFRP加固钢结构技术的发展  1
1.2 CFRP-钢界面行为的研究进展  3
1.3 存在的问题 10
1.4 本书主要内容 11
小结  12
第2章 CFRP-钢界面时变黏结性能试验研究  13
2.1 试验概况 13
2.2 CFRP-钢拉伸试件蠕变试验结果及分析 21
2.3 CFRP-钢拉伸试件静力试验结果及分析 25
小结  33
第3章 CFRP-钢界面时变本构模型研究 35
3.1 既有的结构加固用胶黏剂的黏弹性本构模型 35
3.2 考虑剪应力影响的CFRP-钢界面胶黏剂黏弹性本构模型  38
3.3 既有的CFRP-钢界面黏结-滑移本构模型  47
3.4 考虑蠕变损伤影响的黏结-滑移本构模型  50
小结  63
第4章 CFRP-钢拉伸试件时变力学行为研究  64
4.1 基于黏弹性本构关系的界面应力时变分析 64
4.2 CFRP-钢界面剥离全过程分析 68
小结  75
第5章 CFRP加固受弯钢梁时变力学行为研究  76
5.1 CFRP加固受弯钢梁弹性分析 76
5.2 CFRP加固受弯钢梁黏弹性分析 91
5.3 CFRP加固钢梁的设计建议  102
小结 104
参考文献  106

徐佰顺，宿迁学院

本书基于作者研究成果,在综述CFRP加固钢结构技术的特点及研究进展基础上,论述了CFRP-钢界面时变黏结性能试验研究,CFRP-钢界面时变本构模型研究、CFRP-钢位伸试件时变力学行为研究,以及CFRP-加固受弯钢梁时变力学行为研究。